ANALISIS PERFORMANSI TURBIN ARUS LAUT

VERTIKAL AKSIS JENIS V-STRAIGHT DAN V-HELICAL

TERHADAP PERUBAHAN DIMENSI BERBASIS

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Dosen pembiming:

Dr. Ridho Hantoro, ST., MT.

Ir. Roekmono , MT.

Jurusan Teknik Fisika

Fakultas Teknologi Industri

Institut teknologi Sepuluh Nopember

Oleh:

I Kadek Yamuna Gangga Putra (2411100094)

Latar BelakangKebutuhan listrik tinggi, perlu pembangkit dari energi terbarukan yang ramah

lingkungan, seperti turbin arus laut

Sebelum membuat turbin skala besar, perlu membuat model turbin, menggunakan

konsep keserupaan, model turbin harus “serupa” dengan turbin aslinya

Perlu juga peningkatan performansi turbin berdasarkan geometri turbin!!

Biaya dan waktu yg

diperlukan dalam

Mendesain Turbin

Estimasi Target

daya yang

dihasilkan

Rumusan Permasalahan dan Tujuan

Bagaimana mengetahui pengaruh

performansi turbin arus laut

vertikal aksis jenis V-Straight

dibandingkan dengan turbin vertikal

aksis jenis V-Helical?

Bagaimana mengetahui pengaruh

perubahan dimensi terhadap

performansi pada turbin arus laut

vertikal aksis jenis V-Straight dan

V-Helical?

1. Untuk mengetahui

pengaruh perubahan

dimensi terhadap

performansi turbin arus

laut vertikal aksis jenis V-

Straight dan V-Helical.

2. Untuk mengetahui

pengaruh performansi

turbin arus laut vertikal

aksis jenis V-Straight

dibandingkan dengan

turbin vertikal aksis jenis

V-Helical.

V-STRAIGHT DAN V-HELICAL

Perhitungan Desain Turbin:

Dari rumus 𝐴 =2𝑃

𝜂𝜌𝑉3, didapatkan detail desain

dimensi turbin :

- Diameter atas ≈ 4 meter

- Diameter bawah ≈ 3 meter

- Chord = 1 meter

- Tinggi turbin = 8 meter

- Sudut V bagian bawah turbin diasumsikan 100

Metodologi Penelitian

Analisis Non-Dimensional:

a. Dengan menggunakan teori “Pi-Buckingham”

didapatkan hubungan antar variable

𝑃 = 𝑓 𝐷,𝜔, 𝜌, 𝜇, 𝑉𝑃

𝜌𝐷2𝑉3= 𝑓

𝜌𝑉𝐷

𝜇,𝜔𝐷

𝑉

b. Dari penelitian sebelumnya diekstrapolasi data

RPM(𝜔1) pada kecepatan 0.5 - 2 m/s (𝐷1 = 1𝑚)

c. Dengan menggunakan𝜔1𝐷1

𝑉1=𝜔2𝐷2

𝑉2, dimana

dimensi turbin saat ini (𝐷2 = 4𝑚) maka

d. Didapatkan prediksi RPM(𝜔2) turbin yang akan

dibuat pada kecepatan 0.5 – 2 m/s.

Perhitungan Desain Turbin Sesuai Daya yang Diinginkan

Simulasi CFD : Pembuatan Geometri MeshingPre processingSolver Post Processing

Pengambilan data berupa Torsi untuk

validasi

Penentuan parameter validasi : 1. Kemampuan maksimum komputasi PC2. Ukuran spasi meshing minimum pada

penelitian sebelumnya 3. Nilai torsi sebagai acuan validasi

( 0 ≤ e ≤ 0.1)

Verifikasi Hasil error Torsi

( 0 ≤ e ≤ 0.1)

Total time dan time step simulasi

transient

Kesimpulan

Penyusunan Laporan

Mulai

A

A

Selesai

Ya

Tidak

Analisis Non-Dimensional :1. Menggunakan teori “phi-buckingham”

. Bilangan non-dimensional yang mempengaruhi keserupaan model turbin arus laut (reynold number

dan tip speed ratio)3. Ekstrapolasi data kecepatan angular pada

penelitian sebelumnya4. Prediksi RPM

Simulasi CFD pada berbagai

variasi variabel

Pengambilan data berupa

Fx, Fy, Torsi dan Profil

Aliran

Analisis Data

Penentuan Parameter Validasi:

a. Ukuran spasi meshing minimum sesuai

kemampuan PC

b. Disimulasikan ukuran spasi meshing minimum

ini pada turbin penelitian sebelumnya

c. Didapatkan nilai torsi yang akan dibandingkan

dengan torsi eksperimen pada penelitian

sebelumnya untuk mencari nilai error sebagai

acuan validasi (0 ≤ 𝑒 ≤ 10%)10𝑜

𝐷𝑎 ≈ 4 𝑚

𝐷𝑏 ≈ 3 𝑚

t ≈ 8 𝑚

Turbin tampak samping

SIMULASI CFD

Inlet

v-straight skema v-helical tiap segmen v-helical v-helical cylinder sub domain

box domain

meshing

Pre processing

wall

wall Opening

Metodologi Penelitian

Verifikasi Hasil:

a. Setelah pengambilan data torsi dari hasil

simulasi, digunakan untuk mencari nilai error

b. Jika nilai error (𝑒 ≥ 10%) , maka kembali ke

tahap simulasi CFD dengan mengubah ukuran

spasi meshing

c. Jika nilai error (𝑒 ≤ 10%), maka ukuran spasi

meshing dan metode yang digunakan akan

dijadikan acuan untuk simulasi selanjutnya

Simulasi Selanjutnya (Transient):

a. Penentuan nilai total time (waktu untuk 1

putaran penuh) dan time step (waktu untuk

berputar sebesar sudut azimuth yang

diinginkan)

b. Disimulasikan pada berbagai variasi variable

yang sudah ditentukan

c. Pengambilan data hasil simulasi CFD berupa

gaya Fx, Fy, Torsi, kontur tekanan, kontur

kecepatan

Perhitungan Desain Turbin Sesuai Daya yang Diinginkan

Simulasi CFD : Pembuatan Geometri MeshingPre processingSolver Post Processing

Pengambilan data berupa Torsi untuk

validasi

Penentuan parameter validasi : 1. Kemampuan maksimum komputasi PC2. Ukuran spasi meshing minimum pada

penelitian sebelumnya 3. Nilai torsi sebagai acuan validasi

( 0 ≤ e ≤ 0.1)

Verifikasi Hasil error Torsi

( 0 ≤ e ≤ 0.1)

Total time dan time step simulasi

transient

Kesimpulan

Penyusunan Laporan

Mulai

A

A

Selesai

Ya

Tidak

Analisis Non-Dimensional :1. Menggunakan teori “phi-buckingham”

. Bilangan non-dimensional yang mempengaruhi keserupaan model turbin arus laut (reynold number

dan tip speed ratio)3. Ekstrapolasi data kecepatan angular pada

penelitian sebelumnya4. Prediksi RPM

Simulasi CFD pada berbagai

variasi variabel

Pengambilan data berupa

Fx, Fy, Torsi dan Profil

Aliran

Analisis Data

Variasi Perbesaran Dimensi

Hasil dan PembahasanHasil ekstrapolasi

kecepatan (m/s)kecepatan

sudut (RPM)Hasil Proyeksi

(RPM)eror (%)

0.67 38.18 40.98 7.3448773

0.72 43.79 42.28 3.448736716

0.806 47.09 44.51 5.482906056

0.98 47.89 49.02 2.352314038

1.15 53.26 53.42 0.302863169

2 75.45

Rata-rata Eror 3.786339456

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Kec

epat

an R

otas

i (R

PM)

Kecepatan Arus Laut (m/s)

Hasil proyeksi Hasil Eksperimen

Dimensi 4

Kecepatan (m/s)Prediksi KecepatanSudut (RPM)

0.5 3.809643281

1 5.158892355

1.5 6.50814143

2 7.857390504

Dimensi 3

Kecepatan (m/s)Prediksi KecepatanSudut (RPM)

0.5 5.079524375

1 6.87852314

1.5 8.677521906

2 10.47652067

Dimensi 2

Kecepatan (m/s)Prediksi KecepatanSudut (RPM)

0.5 7.619286562

1 10.31778471

1.5 13.01628286

2 15.71478101

Dimensi 1

Kecepatan (m/s)Prediksi KecepatanSudut (RPM)

0.5 15.23857312

1 20.63556942

1.5 26.03256572

2 31.42956202

Validasi

Ukuran spasi meshing minimum

V-STRAIGHT

Gaya pada masing – masing blade dan shaft turbin V-Straight(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

Fx, Fy dan Torsi terhadap sudut azimuth denganvariasi dimensi turbin

Gaya tiap sudut azimuth variasi dimensi turbin V-Straight(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

Fx, Fy dan Torsi terhadap sudut azimuth denganvariasi kecepatan aliran

Gaya tiap sudut azimuth variasi kecepatan aliran(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

Fx, Fy dan Torsi terhadap kecepatan aliran denganvariasi dimensi turbin

Gaya tiap kecepatan aliran dengan variasi dimensi turbin(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

𝑇 =1

2𝜌𝐴𝑅𝑉2𝐹 =

1

2𝜌𝐴𝑉2

𝑭𝒙, 𝑭𝒚, 𝑻 ~ 𝑽𝟐

Fx, Fy dan Torsi terhadap dimensi turbin denganvariasi kecepatan aliran

Gaya tiap dimensi turbin dengan variasi kecepatan(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

𝑇 =1

2𝜌𝐴𝑅𝑉2𝐹 =

1

2𝜌𝐴𝑉2

𝑭𝒙, 𝑭𝒚 ~ 𝑨~𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝟐

𝑨.𝑹(𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝟐. 𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊) = 𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝟑, 𝑻𝒐𝒓𝒔𝒊 ~ 𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝟑

V-HELICAL

Gaya pada masing – masing blade dan shaft turbin V-Helical(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

Fx, Fy dan Torsi terhadap sudut azimuth denganvariasi dimensi turbin

Gaya tiap sudut azimuth variasi dimensi turbin V-Helical(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

Fx, Fy dan Torsi terhadap sudut azimuth denganvariasi kecepatan aliran

Gaya tiap sudut azimuth variasi kecepatan aliran(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

blade 1

blade 2

blade 3

Fx, Fy dan Torsi terhadap kecepatan aliran denganvariasi dimensi turbin

Gaya tiap kecepatan aliran dengan variasi dimensi turbin(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

𝑇 =1

2𝜌𝐴𝑅𝑉2𝐹 =

1

2𝜌𝐴𝑉2

𝑭𝒙, 𝑭𝒚, 𝑻 ~ 𝑽𝟐

Fx, Fy dan Torsi terhadap dimensi turbin denganvariasi kecepatan aliran

Gaya tiap dimensi turbin dengan variasi kecepatan(a) Gaya arah sumbu x (Fx) (b) Gaya arah sumbu y (Fy) (c) Torsi

𝑇 =1

2𝜌𝐴𝑅𝑉2𝐹 =

1

2𝜌𝐴𝑉2

𝑭𝒙, 𝑭𝒚 ~ 𝑨~𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝟐

𝑨.𝑹(𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝟐. 𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊) = 𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝟑, 𝑻𝒐𝒓𝒔𝒊 ~ 𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝟑

PembahasanPengaruh Kecepatan Aliran Fluida Terhadap Performansi TurbinDengan Variasi Perbesaran Dimensi

Daya tiap kecepatan dengan variasi dimensi turbin(a) Daya pada V-Straight (b) Daya pada V-Helical

𝜔2 = 𝜔1.𝑉2

𝑉1

𝐷1

𝐷2; 𝜔 ~ 𝑉

𝑷 =𝟏

𝟐𝝆𝑨𝑽𝟑 ; 𝑷 ~ 𝑽𝟑

PembahasanPengaruh Perbesaran Dimensi Terhadap Performansi Turbin DenganVariasi Kecepatan Aliran Fluida

Daya tiap dimensi turbin dengan variasi kecepatan aliran fluida(a) Daya pada V-Straight (b) Daya pada V-Helical

𝜔2 = 𝜔1.𝑉2

𝑉1

𝐷1

𝐷2; 𝜔 ~

1

𝐷𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖

𝑷 =𝟏

𝟐𝝆𝑨𝑽𝟑 ; 𝑷 ~ 𝑨 ~𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝟐

Diagram Performansi Turbin V-Straight

Diagram Performansi Turbin V-Helical

V-STRAIGHT vs V-HELICAL

Torsi V-Helical lebih stabildibandingkan Torsi V-Straight

Namun nilai rata – rata Torsi V-Straight 111028 Nm, lebih besardibandingkan Torsi V-Helical 88585 Nm

KESIMPULAN

1. Pada berbagai variasi dimensi turbin, kecepatan aliran fluida berbanding lurusdengan kecepatan sudut turbin (RPM), lalu gaya Fx, Fy dan torsi sebandingdengan kuadrat kecepatan, lalu daya turbin sebanding dengan pangkat tigakecepatan aliran fluida.

2. Pada berbagai variasi kecepatan aliran fluida, dimensi turbin berbandingterbalik dengan kecepatan sudut turbin (RPM), lalu gaya Fx, Fy dan daya turbinsebanding dengan kuadrat perbesaran dimensi, lalu torsi sebanding denganpangkat tiga perbesaran dimensi.

3. Turbin tipe V-Helical menghasilkan torsi yang lebih stabil dibandingkandengan turbin tipe V-Straight, namun nilai rata-rata torsi pada turbin V-Straightyang besarnya 111028 Nm lebih tinggi dibandingkan dengan torsi rata – rataturbin V-Helical yang besarnya hanya 88585 Nm

V-STRAIGHT

Pressure Velocity

V-HELICAL

Pressure Velocity

DAFTAR PUSTAKA

THANK YOU

o FT merupakan gaya tangensial yang bekerja tegak

lurus dengan lintasan rotasi. Gaya FT ini menyebabkan

torsi yang akan memutar turbin sehingga dapat

menghasilkan energi mekanik.

o FN merupakan gaya normal yang dapat menyebabkan

fibrasi pada turbin.

Koefisien gaya tangensial

𝐶𝑇 =𝐹𝑇

0,5. 𝜌. 𝑈2𝑐= 𝐶𝐿 sin 𝛼 + 𝛼𝑝 − 𝐶𝐷cos(𝛼 + 𝛼𝑝)

Koefisien gaya normal

𝐶𝑁 =𝐹𝑁

0,5. 𝜌. 𝑈2𝑐= −𝐶𝐷 sin 𝛼 + 𝛼𝑝 − 𝐶𝐿cos(𝛼 + 𝛼𝑝)

Beberapa parameter yang dapat digunakan untukmenentukan performansi turbin:

Torsi yang dihasilkan turbin : 𝑻 = 𝒓 × 𝑭𝑻Daya yang diekstrak turbin : 𝑷 = 𝑻 ×𝝎

Koefisien power : 𝑪𝑷 =𝑷

𝟎,𝟓.𝝆.𝑼𝟑𝑨𝑻

AERODINAMIKA BLADE

AERODINAMIKA BLADE

Nilai Cl dan Cd akan berubah sesuai dengan sudut serang. Sampai

pada kondisi tertentu dimana nilai Cl turun dan Cd naik secara

drastis. Kondisi ini disebut sebagai STALL

Separasi aliran

10𝑜

𝐷𝑎 ≈ 8 𝑚

𝐷𝑏 ≈ 6 𝑚

t ≈ 16 𝑚

10𝑜

𝐷𝑎 ≈ 4 𝑚

𝐷𝑏 ≈ 3 𝑚

t ≈ 8 𝑚